石墨烯的納米摩擦性能
1.1石墨烯的層間滑動摩擦
國際上一些科研團(tuán)隊通過原子力顯微鏡/摩擦力顯微鏡（AFM/FFM）試驗，以及第一性原理、分子動力學(xué)和有限元計算對石墨烯的表面黏著、納米摩擦和磨損性能開展了深入的研究工作。
理論研究發(fā)現(xiàn)石墨烯層間的納米摩擦力主要取決于石墨烯層間的晶格公度性（錯配角度）；其中，非公度（晶格失配）形式堆垛的石墨烯的層間滑動摩擦力非常小，甚至出現(xiàn)超低摩擦（超潤滑）[1]。
另外除了堆垛形式、相對滑動方向、尺寸、缺陷和層間距以外，石墨烯的層數(shù)也顯著影響石墨烯層間的摩擦力，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)單層石墨烯的摩擦力相對較高，且表現(xiàn)出黏－滑特征；而多層石墨烯的摩擦力很低，且非常穩(wěn)定。
1.2石墨烯表面滑動摩擦
除了針對石墨烯層間的滑動摩擦力，更多的研究考察了探針在石墨烯表面滑動時的納米摩擦力。目前，石墨烯表面納米摩擦力隨其層數(shù)變化的摩擦機(jī)理主要包括電子－聲子耦合機(jī)理、面外折皺機(jī)理、彈性變形的能量耗散機(jī)理、剪切變形機(jī)理4個方面。
1.2.1電子－聲子耦合機(jī)理[1]
研究表明，SiC表面外延生長的單/雙層石墨烯膜的原子黏－滑特性、晶格取向和表面接觸勢（橫向接觸剛度）都相同，但在各種試驗參數(shù)下（載荷、偏壓、探針尖材料），外延生長的單層石墨烯膜的摩擦力是雙層石墨烯膜的兩倍。
其原理為外延生長的單層石墨烯膜，電子－聲子耦合產(chǎn)生的電子激勵能夠有效地阻尼晶格振動，從而只能通過電子激勵耗散大部分能量；而外延生長的雙層石墨烯膜的電子－聲子耦合幾乎消失，因而未受阻尼的晶格振動增加了能量耗散，從而使其比單層石墨烯膜具有更低的表面摩擦力。
1.2.2面外折皺機(jī)理
現(xiàn)機(jī)械剝落的石墨烯的摩擦力與石墨烯－基底間的結(jié)合狀態(tài)緊密相關(guān)。
①基底弱結(jié)合或自支撐的石墨烯表面的摩擦力隨石墨烯層數(shù)的增加而減少，且不受FFM探針掃描速率，施加載荷和探針尖材料的影響，當(dāng)石墨烯層數(shù)增加至5層時，達(dá)到與塊體石墨相似的固體潤滑性能[2]。
②強(qiáng)結(jié)合在基底表面的石烯的摩擦學(xué)性能不受層數(shù)的影響，并具有與塊體石墨相似的摩擦性能。這是因為石墨烯與基底間的強(qiáng)結(jié)合抑制了石墨烯固有的表面波紋，并顯著減小了折皺效應(yīng)。
1.2.3彈性變形的能量耗散機(jī)理
耗散機(jī)理如下：當(dāng)探針掃描時，針尖后部的石墨烯原子向上移動，而針尖前部的石墨烯原子向下運(yùn)動，雖然變形能的凈變化為零，但石墨烯原子的彈性位移所產(chǎn)生的原子動能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝覽2]，發(fā)生能量耗散。
1.2.4剪切變形機(jī)理
研究發(fā)現(xiàn)掃描探針在石墨烯表面的黏－滑運(yùn)動使底層產(chǎn)生了周期性的剪切位移－恢復(fù)現(xiàn)象[3]。石墨烯膜越厚，其表層處于更長的黏著相，即剪切位移越大，而對于更薄的石墨烯膜，強(qiáng)的恢復(fù)力使表層快速縮回，探針迅速跳至下一個最小勢能位，從而產(chǎn)生更小的摩擦力，因此單層石墨烯的表面摩擦力最小。
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石墨烯潤滑材料摩擦機(jī)理
石墨烯具有特殊的二維納米層狀結(jié)構(gòu)、高的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱性，并且是碳質(zhì)固體潤滑材料的基本結(jié)構(gòu)單元。實驗研究表明，隨著石墨烯的添加，石墨烯不斷覆蓋在摩擦副表面，摩擦副表面的粗糙度被石墨烯表面的粗糙度所替代，所以潤滑機(jī)理逐漸趨向薄膜潤滑，潤滑油力學(xué)性能有所提高[4]。
當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加時，石墨烯在摩擦副表面堆積，阻斷潤滑油膜的形成，潤滑油的摩擦性能反而下降。
綜合考慮干摩擦與薄膜潤滑機(jī)理，當(dāng)只有潤滑油基礎(chǔ)油工作時，其潤滑處于臨界狀態(tài)，同時存在干摩擦與薄膜潤滑；當(dāng)有適當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨烯參與潤滑時，薄膜潤滑占主導(dǎo)地位，摩擦因子較低；當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時，石墨烯間的干摩擦作用凸顯，且逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，摩擦因子不斷上升[4]。
2.1石墨烯納米薄膜的摩擦學(xué)性能
石墨烯本身具備的自潤滑性能使其可用于制備石墨烯潤滑膜。采用機(jī)械剝落法可制備由數(shù)層碳原子基平面構(gòu)成的多層石墨烯膜,其表面表現(xiàn)出比裸露的Si表面更小的摩擦力[5]，而磨損機(jī)理可認(rèn)為是內(nèi)層碳原子之間化學(xué)鍵的破壞和石墨烯膜表面的修剪造成的。
研究表明，較裸露的銅箱而言,石墨烯沉積的銅薄膜具有更高的接觸角和更低的摩擦系數(shù)，可用作高性能潤滑膜[6]。此外,也可以通過原位還原法和組裝法將石墨烯潤滑膜添加到不同的基底上，發(fā)揮其優(yōu)異的摩擦性能。
2.2石墨烯潤滑油添加劑
從氧化石墨中剝離出高度去氧化的超薄石墨烯,然后通過超聲分散法將石墨烯均勻分散在原油中制備出潤滑油.當(dāng)石墨烯的質(zhì)量濃度為0.025mg/mL時,其摩擦系數(shù)和磨痕直徑[6]分別減小了80%和33%。采用硬脂酸和油酸對石墨烯片進(jìn)行改性.并將改性石墨烯添加進(jìn)潤滑油中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)改性石墨烯添加量為0.075%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時,潤滑劑的減磨耐磨性能達(dá)到最好。
由于改性石墨烯能引起兩接觸面的滾動效應(yīng),并在摩擦表面形成潤滑膜，從而使?jié)櫥湍湍バ缘玫教岣?。石墨烯在油基納米流體中的優(yōu)異耐磨性主要歸因于其極大的機(jī)械強(qiáng)度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
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石墨烯納米潤滑材料的潛力
目前的潤滑油市場中，傳統(tǒng)潤滑油依然占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于其潤滑能力有限以及添加含硫、磷、氯等元素的添加劑對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，無法滿足現(xiàn)今的工作需求。而石墨烯因納米材料具有減摩抗磨機(jī)理[7]且不含有污染元素而成為了潛在的高性能納米潤滑材料。
（1）碳納米潤滑油添加劑[8]粒徑小，在基礎(chǔ)油中分散均勻，并可以填充摩擦副表面的劃痕，起到修復(fù)作用；而且納米顆粒以膠體的形式分散在油中，不易形成堵塞。
（2）石墨烯具有原子薄的厚度和低剪切強(qiáng)度的層狀結(jié)構(gòu)，作為各種材質(zhì)微納器件的抗黏、減摩防護(hù)薄膜，單層、三層及多層石墨烯基納米潤滑薄膜能夠顯著減小基底表面的摩擦系數(shù)和耐久壽命。
（3）高的機(jī)械強(qiáng)度和熱導(dǎo)率使得石墨烯作為潤滑油、水、離子液體等介質(zhì)的潤滑抗磨添加劑，在摩擦界面形成的石墨烯摩擦吸附膜和對偶表面轉(zhuǎn)移膜，阻止了摩擦副的直接接觸，顯著提高了潤滑劑的承載性能和摩擦副的抗磨性色[8]。
（4）選擇氧化石墨烯作為聚合物、陶瓷等材料的填料，石墨烯顯著提高了基體材料的力學(xué)性能，并通過形成的自潤滑和高強(qiáng)度的連續(xù)轉(zhuǎn)移膜減小了聚合物基體的摩擦系數(shù)，大幅提升了基體材料的抗磨性能，但并沒有研究發(fā)現(xiàn)可以改善陶瓷材料的潤滑性能。
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石墨烯基復(fù)合潤滑材料研究方向
現(xiàn)今，科學(xué)界預(yù)言“將徹底改變21世紀(jì)，掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)革命”的石墨烯正在慢慢發(fā)揮作用，在未來石墨烯基復(fù)合潤滑材料的研究將朝著以下幾個方向發(fā)展[9]：
（1）各種功能化石墨烯的納米摩擦和納米磨損機(jī)制的理論計算和實驗研究，如氧化、氟化、氮化、硅烷化，胺基化石墨烯；
（2）石墨烯的非共價功能化及原位還原技術(shù)研究保持石墨烯固有力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的同時，提高石墨烯在各種溶劑、潤滑劑、聚合物等材料中的分散性；
（3）石墨烯基多層組裝體系在各種基底表面可控構(gòu)筑研究；
（4）石墨烯與潤滑劑間的摩擦化學(xué)機(jī)理研究；
（5）石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料在極端苛刻以及特殊環(huán)境下的摩擦學(xué)性能的研究，如低速重載、高溫環(huán)境、液體環(huán)境等[10]；
（6）石墨烯增強(qiáng)無機(jī)非金屬材料的摩擦學(xué)性能優(yōu)化研究。
雖然石墨烯的層數(shù)對摩擦學(xué)性能的影響機(jī)制在學(xué)術(shù)界還存在一定的分歧，但大量的石墨烯納米摩擦學(xué)性能研究結(jié)果顯示出石墨烯具有優(yōu)異的潤滑和抗磨性能，隨著各種石墨烯基納米潤滑薄膜，潤滑添加劑和潤滑填料的不斷發(fā)展及其潤滑機(jī)制的深入研究，石墨烯在潤滑材料領(lǐng)域必將大有可為。